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如何设计一款低压大电流直直变换器?

低压大电流直直变换器的设计
推挽正激电路应用于变换器有什么优点?

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王欢欢

2021-4-21 14:13:55
1.引言
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定 输出电压的一种电源。从上世纪9O年代以来开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,计 算机、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。 随着电源技术的发展,低电压,大电流的开关电源因其技术含量高,应用广,越来越受到人 们重视。在开关电源中,正激式和反激式有电路拓扑结构简单,输入输出电气隔离等优点, 广泛应用于中小功率电源变换场合。与正、反激式相比,推挽式变换器变压器利用率高,输 出功率较大,而且由于使用MOS管,基本不存在励磁不平衡的现象。因此,一般认为推挽式变 换器适用于低压,大电流,功率较大的场合。

2.基本推挽变换技术
推挽式直直变换器的电路结构如图1(a)所示,波形如图1(b)所示。推挽式逆变器将直 流电压变换为交流方波加在高频变压器的原边,在隔离变压器的副边只有一个二极管压降。 当开关管1 S 导通时,二极管1 D 承受正压而导通,而2 D 由于反向偏置而截止;因此,

3 电路的设计
3.1 主电路的设计
开关电源的主电路拓扑结构如图2所示,详细参数如下:输入电压为12(1±10%)V,输 出电压为24V,输出电流为12A,工作频率为33kHz。主电路采用的是推挽型电路,主开关管 用的是IRFP064N,在主电路上输入端有两个1000uF/50V并联的输入滤波电容,在输入的电路 的正级接有一个2.2uH的输入滤波电感(电感取值与输出滤波电感一样)。电路中变压器的 设计跟一般变换器所用变压器设计类似,只需注意绕线方式和铜线选择,由于本变换器的电 流过大,故采用多股细线并绕的方式。

在输出端用的是同步整流技术,在低电压大电流功率变换器中,若采用传统的普通二 极管或肖特基二极管整流由于其正向导通压降大(低压硅二极管正向压降约0.7V,肖特基二 极管正向压降约0.45V,新型低电压肖特基二极管可达0.32V),整流损耗成为变换器的主要 损耗,无法满足低电压大电流开关电源高效率,小体积的需要。MOSFET导通时的伏安特性为 一线性电阻,称为通态电阻 RDS ,低压MOSFET新器件的通态电阻很小,如: IRF2807(75V,82A)、IRL2910(100V,55A)通态电阻分别为0.013Ω、0.O26Ω,它们在通过20A 电流时,通态压降不到0.2V。另外,功率MOSFET开关时间短,输入阻抗高,这些特点使得MOSFET 成为低电压大电流功率变换器首选整流器件。
MOSFET的栅-源问的硅氧化层耐压有限,一旦 被击穿则永久损坏,所以实际上栅-源电压最大值在50-75V之间,如电压超过75V,应该在栅 极上接稳压管。并从成本综合考虑,选用IRF2807。需要特别指出的是图中MOS管做为整流 管的接法,有,有些读者可能会认为接法有误,这是由于普通的参考用书没有描述电力MOSFET的正栅压反向输出特性。实际上,电力MOSFET除需要介绍非饱和区、饱和区和截 止区外,还应考虑反向电阻区,反向电阻区与正向电阻区有相类似的沟道特性。这是由于变 压器二次侧电压为交变方波,整流管要承受反压但电力MOSFET是逆导器件,若工作在正向 电阻区将无法整流。

在电压输出部分,使用了LC滤波电路,电感电容参数是根据LC滤波中K式滤波器滤波 特性曲线及计算公式计算出来的,并在实验后做了调整。(K式滤波是指串臂阻抗和并臂阻抗 的乘积是一个不随频率变化的常数,量纲为电阻)

3.2 控制电路的设计
控制电路选用SG3525芯片,它是美国硅通用半导体公司(Silicon General)推出的用 于驱动N沟道功率MOSFET的电流控制型PWM控制器,它具有很高的温度稳定性和较低的噪声等 级,具有欠压保护和外部封锁功能,能方便地实现过压过流保护,能输出两路波形一致、相 位差为180°的PWM信号,有效地减少输出电流的纹波,适合于推挽拓扑电路。从控制芯片 SG3525出来的两路控制信号分别用来控制一个IRFP064N,达到了驱动两个开关管的目的,且 二者电流方向相反。

控制电路使用了闭环控制方式令输出电压保持恒定,由检测到的电压经过光耦隔离后传 到SG3525与一个标准值进行比较,以此来调整占空比并相应调整输出电压,如图3反馈电压的 检测,光耦选用7840不但起到了隔离作用使输出电压与输入成比例变化。由于芯片所需电源 不能由输入电源直接提供,所以特用了两个直流稳压小芯片来提供电源,基准源要求稳定的 电压,在SG3525本身所提供的稳压输出的基础上再通过一个TL431的稳压,经过测量完全达 到要求。
在输出整流电路中,当整流管Q3的受正向电压导通时,应及时驱动Q3导通,以减小压降 和损耗。
4 实验结果和波形分析
图5是推挽电路两路门极脉冲波形(示波器幅值*10),两个脉冲基本是相互对称的,方 向相反则励磁方向相反可以避免励磁不平衡,电路此时工作在Vi =11V左右。图5为变压器输 出电压,也就是同步整流管Q3和Q4的驱动信号,由图可以看出上下两个波形是对称的,说明 他们是分别只有为正的时刻才导通。在实验室里用示波器测出了输出电压的波形,纹波并不 大,完全能达到电器类电源的要求。实验所得波形和分析的波形基本吻合,只是在开关转换 瞬间, 电压有小尖峰,这是由电路的杂散参数引起的。该电路的工作效率经过测量大约在 90%左右,基本达到设计的要求。
5 结语
仿真分析和实验结果验证了理论分析和公式推导的正确性,表明推挽正激电路应用于该 变换器中具有以下优点:
1)抑制了开关管漏源极电压尖峰,降低了开关管的电压应力和功率损耗,整机效率高。
2)变压器双向磁化,磁芯利用率高。
3)输入电流纹波安秒积分较其它拓扑小,减小了输入滤波器体积。
4)输出在经过LC 滤波后,输出的波形振幅很小。
本文作者创新点为:利用推挽技术使变换器变压器利用率高,输出功率较大,而且由于使 用MOS管,基本不存在励磁不平衡的现象,在输出部分使用了同步整流技术,减少了电压在整 流管上的损耗,提前了整个变换器的效率,使用了LC滤波,基本消除了高次波的污染。
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